一種基於自適應多波束天線實現蜂窩小區分層的方法

2023-12-03 01:06:46 1

專利名稱：一種基於自適應多波束天線實現蜂窩小區分層的方法
技術領域：
本發明涉及移動通信技術領域，具體是一種基於自適應多波束天線的分 層蜂窩小區實現方法。
背景技術：
眾所周知，蜂窩通信的關鍵是頻率復用。在一個小區內使用的信道可以 在其他小區重複使用。但是，只有當小區間的距離很遠，使同頻幹擾在允許 的範圍內這些信道才能復用。而減小同頻復用距離是提高頻率利用率和系統 容量的最為有效的途徑之一。因此，為了獲得一個允許的同頻幹擾，系統設 計者首先必須保證同頻小區之間的最小距離。目前，為了獲得允許的同頻幹 擾採用的方法有兩種(1)縮短同頻復用距離，構造更緊密的蜂窩小區(2) 利用基站自適應天線技術，構造智能蜂窩小區。
在縮短同頻復用距離的方法中又具體包括以下方法採用扇形分區技術， 縮短同頻復用距離；採用分層小區結構，縮短同頻復用距離；採用同心圓技 術，縮短同頻復用距離；採用多重頻率復用技術，縮短同頻復用距離；通過 天線波束傾斜，縮短同頻復用距離；採用基站自適應天線技術，縮短同頻復 用距離。上述若干蜂窩小區的設計對提高系統容量起到重要作用，但與此同 時，由於受到一些條件的約束而影響同頻幹擾和越區切換，主要影響分析如 下採用扇區化小區、微蜂窩以及分層蜂窩小區等結構將使得特定面積內的 小區數目增多，增加小區間用戶的切換次數。微蜂窩以及分層蜂窩小區中小 區半徑越小，發射功率越難控制，同頻幹擾和遠近效應加強，最終可能導致不能復用。為解決大城市的連續覆蓋，需要大量的微蜂窩，投資十分龐大； 採用分層結構時，網絡結構複雜，增加了頻率規劃的難度。多重頻率復用技 術要求有跳頻技術的支持，同心圓技術也要求採用特殊的切換算法，而這些 都將在一定程度上增加系統的交換開銷。多重頻率復用技術會受跳頻速度的 限制，導致話音信道分層數受到制約，降低同頻幹擾的能力受到限制。天線 波束傾斜可能會造成水平面波束上翹，降低同頻幹擾的能力受到限制。採用 自適應天線會受到天線陣元數、尺寸大小的約束，降低同頻幹擾的能力受到 限制。當利用基站自適應天線技術，構造智能蜂窩小區時，由於智能小區需 要對移動用戶進行跟蹤，同樣會受到天線陣元數、尺寸大小的約束，降低同 頻幹擾和靈活越區切換的能力受到限制。

發明內容
本發明針對現有技術的上述缺陷，設計了一種基於自適應多波束天線的 分層蜂窩小區方法實現頻率復用。該方法使同頻幹擾限定在允許的範圍內， 能夠提高頻率利用率和系統容量。為緩解移動通信有限頻率資源與移動用戶 數日益增長這一根本性矛盾提供了一種有效的解決方案。
本發明解決上述技術問題的技術方案是，提出一種基於自適應多波束天 線的分層蜂窩小區實現方法，該方法包括以下處理步驟
A. 利用基站自適應多波束天線對蜂窩小區進行分層。對基站自適應多波 束天線進行垂直面分割，並利用天線俯仰面形成一簇以基站為中心的同心圓， 即形成一個n分層的分層小區系統；
B. 採用動態信道分配方案，以減小相鄰同頻小區的幹擾。所述動態信道 分配方案具體為，同一小區內某一分層優先使用屬於自己分層的信道，當某 一分層中的信道全部被佔用，且同一小區內位於該分層內側的其他分層中有空閒信道時，可以使用位於其內側的其他分層中的空閒信道(簡稱其內分層 的信道)，而內分層的信道不能使用位於其外側分層中的信道(簡稱其外分層
的信道)，即使其外分層的信道中有空閒信道；對於相鄰同頻小區，兩相鄰同 頻區群使用的頻率採用逆序信道組分配，並採用信道優先級保證相鄰同頻區 群內的同頻復用距離最遠。當兩個分層同時選擇某分層的信道時，擁有信道 的自身分層具有優先選擇權。當兩個相鄰同頻區群中各分層首先使用相同信 道的波束覆蓋形成同心圓半徑R,、 R,，滿足2'+戶/7+l (其中^:1，…,")。其中， R,.， R/T標厶J'表示小區內各分層從內到外依次排列序號，n表示小區被劃分
的分層數目。
c.根據小區內總信道數"w和話務量密度;t及其變化，初始選擇並動態
改變小區各分層半徑與分層數。算法模塊調用公式 formula see original document page 6計算呼叫用戶發起的概率戶{吸>《}，由此確定與 《相對應的，即小區各分層半徑。
本發明通過設計一種基於自適應多波束天線的分層蜂窩小區使同頻幹擾 限定在允許的範圍內，提高了蜂窩移動通信系統的頻率利用率和系統容量。 為緩解移動通信有限頻率資源與移動用戶數日益增長這一移動通信發展的根 本性矛盾提供了 一種有效的解決方案。


圖1是自適應多波束天線分層蜂窩小區結構示意圖
圖2是基站多波束天線的第i個波束形成示意圖
圖3是自適應多波束天線分層蜂窩小區區群構成示意4是分層蜂窩小區同頻幹擾模型示意圖 圖5是動態信道分配方案流程示意圖
具體實施例方式
為緩解移動通信有限頻率資源與移動用戶數日益增長這一移動通信發展 的根本性矛盾。本發明提出一種基於自適應多波束天線實現蜂窩小區分層的 方法，使同頻幹擾限定在允許的範圍內，提高了頻率利用率和系統容量。
該蜂窩小區分層方法包括，首先，對基站自適應多波束天線進行垂直面 分割，並利用天線俯仰面形成一簇以基站為中心的n個同心圓，即形成一個n 分層的分層小區系統；其次，採用動態信道分配方案，以減小相鄰同頻小區 的幹擾；然後，檢査小區內總信道數和話務量密度，根據小區內總信道數和 話務量密度，初始選擇小區各分層半徑與信道數；最後，根據小區內總信道 數和話務量密度的變化，動態的改變小區各分層半徑與信道數。
以下針對附圖和具體實例對本發明技術方案進行詳細描述，如圖1所示 為自適應多波束天線分層蜂窩小區結構示意圖。參見圖1，兩基站BS。,。與BSw 之間相距為D，對基站BS。,。的多波束天線進行垂直面分割，並利用天線俯仰面 形成一簇以基站為中心的同心圓，構成一個由半徑為[O，疋]、
、…、
所界定的/7個同心圓的小區，每一個同心圓為該小區的一個分層小區， 並分別依次按圓半徑從小到大定義為小區第1分層、第2分層、…、第"分 層，且分別標記為Layl、 Lay2、…、Lay / 。
如圖2所示為基站多波束天線的第i個分層波束形成示意圖，該示意圖 描述了圖1的多波束天線的第i個分層波束形成。 一般地，為了保證小區各 分層覆蓋均勻/移動臺具有相同接收功率，將波束水平面方向圖歸一化，可以
採用如下典型俯仰面波束方向圖來實現第i個波束方向圖y;(e)，根據基站天線高度、分層小區圓半徑確定某個波束的方向曲線。 ,& 、"
，=
(1)
、COS0 乂
其中，"為傳播損耗因子，^為基站天線高度，由該小區的半徑和基站天 線高度確定分層角度0=)。
採用動態信道分配方案，以減小相鄰同頻小區的幹擾，構成自適應多波 束天線分層蜂窩小區區群。參考小區的某信道組為環形區域[/^,i ,]的信道組， 同一小區內某一分層優先使用屬於自己分層的信道，當自己分層中的信道全 部被佔用，且同一小區內位於該分層內側的其他分層中有空閒信道時，該位 於外分層的信道可以使用在其內分層的信道，而內分層的信道不能使用在其
外分層的信道，(即使其外分層的信道中有空閒信道)；對於相鄰同頻小區， 兩相鄰同頻區群使用的頻率採用逆序信道組分配，並採用信道優先級保證相 鄰同頻區群內的同頻復用距離最遠。
如圖3所示為區群數/同頻復用因子為# (由vV個小區組成一個區群，圖 中^3)，層數為/7的分層小區系統。假定參考小區群如圖3所示，依次從內 向外定義為第1層幹擾區群，第2層幹擾區群，…。具體採用如下信道分配 方案，規定參考小區BS。,Q的第C^.信道組為環形區域[《—,，《]的信道組
("l，…，iV / = 1,..，")，兩相鄰同頻區群使用的頻率採用逆序信道組分配，將 小區內各分層從內到外依次排列序號。對於相同小區，同一小區內第y'分層首
先使用第/組信道，即第y分層內呼叫用戶首先使用信道c;，,；當第y分層內沒
有空閒信道是，第y'分層可以使用同一小區內位於其內側的第/分層裡的信道。 但是，如果第/分層內沒有空閒信道，第z'分層也不能使用位於其外分層的第 y分層裡的信道(""，只能使用位於第/分層內側的其他分層的空閒信道；第/分層使用/借用第/分層信道的前提是只有在第C^組信道已全部被佔 用且第Q,組信道有空閒信道時；當第乂分層和第/分層(/<"同時選擇第Q, 分層的信道時，第/分層具有優先選擇權。
參見圖3，參考小區BS。,。中各分層信道分配由第1分層到第/2分層為{61, i， G,2，， }，則其相鄰同頻小區(例如BSl。)各分層信道
分配由第1分層到第/7分層為{ G,n， G,w，…，G,J。對於相 鄰同頻小區，採用信道優先級保證相鄰同頻區群內的同頻復用距離最遠。兩 相鄰同頻區群使用的頻率採用逆序信道組分配，並採用信道優先級保證相鄰 同頻區群內的同頻復用距離最遠。信道優先級為兩個相鄰同頻區群中各分 層首先使用相同信道的波束覆蓋形成的同心圓半徑R,，R,所確定分層中的空閒 信道，並滿足i+戶/ +l U/",…,")，這裡，R" R/F標入y表示小區內各分 層從內到外依次排列序號。
為了得到小區內各分層話務量與信道佔用間的關係，確定小區被劃分的 分層數目/7，根據每層內的呼叫用戶數"及小區內總信道數確定分層數目"， 小區內總信道數為"瓜先假定在單位面積的話務量密度為;t，則在圓盤面積 為A的區域有"個呼叫用戶發起的概率戶(m,力可以表示為泊松分布，即
formula see original document page 9
其中，半徑為*的圓盤面積為」=;^2，則4="《表示一個半徑為《的圓
盤面積(這裡，《《W)，則有m個呼叫用戶發起在一個半徑為《圓盤面積內的 概率為-D L—— (3)，其中，l為半徑為《圓盤面積
所覆蓋的分層小區內當前呼叫用戶數。
在半徑為《的圓盤面積內(第i分層)信道數設置為所有呼叫用戶數肌
,/7i^^J^為仏芋徑為W的圓盤(所有分層小區覆蓋的最大圓盤半徑)所確定 的小區內共有/M 個信道被分配在該分層的概率滿足式(3)。為了實現如前所 述的信道分配方案，可採用一種近似方法確定初始信道組及組內信道數的分 配。假定半徑為/ 的圓盤被分割成"個分層，要求每個分層內的信道為歷，即
在半徑為7 的圓盤內共有/7歷個信道，第1分層半徑《需要滿足在/M7個信道
被分配在該分層的概率為1/仏第2分層半徑A需要滿足在/^個信道被分配
在該分層的概率為2//7，…，第i分層半徑i ,需要滿足在/M7個信道被分配在 該分層的概率為V仏 。顯然，如果採用這種初始分層半徑劃分方案，從統 計意義上講可以實現信道分配中對各分層內的信道數與分層半徑的要求。
根據上述原則，則"&《《}= 〃"
因此確定分層半徑的方法可以參見圖5，其具體步驟如下 步驟l，檢查小區內總信道數和話務量密度；
步驟2，根據每層內的呼叫用戶數/Z 及小區內總信道數確定分層數目/7;
步驟3，根據'二 L——以及小區被劃分的分層數目"，
確定與概率P^'、《卜^"相對應的第i分層半徑《；
步驟4，當信道數和話務量改變後重新返回步驟1，根據小區內總信道
數和話務量密度的變化，根據步驟(3)中的公式動態的改變小區各分層半徑與信道數。
以下建立模型，對根據本發明方法建立的自適應多波束天線的分層蜂窩
小區的同頻幹擾進行分析。如圖4所示為根據本發明建立的同頻幹擾分析模
型。為了簡化分析，定義SS。,。的小區中第i分層內用戶到孤。,。中心的距離平
均為&,，定義第一層幹擾源中一個同頻幹擾基站醜^。中心到SS。,。小區中第i
分層內用戶的距離平均為&i,且 ~ f《'
、'、 (5) 這裡，戶(x，"m)表示分層半徑為x時有/M7個信道的概率。 u 。,， (6)
因此，可以將SS。，。的小區中第i分層內用戶有用信號功率表示為 (7)
這裡，A為^S。的發射功率，且已歸一化為1。由前面描述，可知^S。，。中 第i分層內用戶的同頻幹擾來自S^。的第"+ 1一分層。根據前面信道分配方 案，朋。,。中第i分層的信道借用於第J分層(戶1，…，H)，斷,。中第"+ 1-/分 層的信道被借用到第J分層(》1，…，/)，進一步可以按SS。,。的第i分層 是否借用信道和^^。第w + l —分層信道是否被借用分為以下四種情形分析幹
擾功率。
(1) SS。,。中借用信道，萬&，。中信道未被借用
SS。,。中第i分層的信道借用於第J分層(J〈i)的條件應滿足第i分層 中有第/^l個呼叫發起，第2分層(7二^1，…"'-1)的"個信道已全部被佔 用，第J分層內的^個信道中至少有1個信道未被佔用。5&。中信道未被借 用的條件應滿足從第"+ 2-/分層開始到第/7分層都不需要借用信道。=屍0 — ； + 2，附).屍0 —z' + 3,m) 戶0j-l,m).PO,m)
SS^中第ii-"l分層的信道未被借用
P(/,附+1).戶(/ -1, w).....屍(2,附).[1 一屍(l, w)]
SS。,。中第i分層的信道借用於第l分層
+屍(Z， w +1)' P(Z — 1， w)..."屍(3, w). [1 —戶(2， w)].為-—!
aV沖第汾層的信道借用於第2分層
+
i+3
(8)
+屍(/，附+1)'屍(/ 一 1， w) [1 -屍(/ 一 2, w)].
SS。,。中第i分層的信道借用於第"2分層 +—A卜l，附)].^+2
.aV。中第;分層的信道借用於第"i分層
(2)朋。,。中未借用信道，朋l。中信道被借用 "=附).戶(2,附)...W國2, m). W — 1, m
flS。,o中第i層未借用信道
戶("-/ + 1，附+ 1)'屍("-/ + 2，附)..…P("-l,附).戶(w,m —
fiSL。中第n+l-i'層信道被借用到第n層
a^中第"+i-展信道被借用到第n-l層
(9)
+ JP(>j-/ + l，w + l).iJ(w-/ + 2,m)./>("-i + 3,m — l)-JR1
S&,o中第"+l-慮信道被借用到第"+3—'層
+戶0 — / + 1,附+ 1)'屍("—/ + 2,m —l)'7 M"_i+2
肪1,中第"+1-/層信道被借用到第"+2-虔
(3) 朋。，。中未借用信道，朋,，。中信道未被借用
/朋=p(w — / + 2,附).戶("-/ + 3,附) …戶(w -1, m).w)
S&,。中第n-i+l分層的信道未被借用
.戶(l, w) 戶(2， m)..'. 戶(/國2,附).戶(/ —. i〔f
SS。^中第i層未借用信道
(4) 朋。,。中借用信道，朋l。中信道被借用
(10)formula see original document page 13
S&,。中第n-"l分層的信道被借用
formula see original document page 13
BS(w中第i'分層的信道借用於第l分層
formula see original document page 13
as^中第汾層的信道借用於第2分層
formula see original document page 13
(11)
formula see original document page 13
flS。,。中第,分層的信道借用於第"2分層 + W + 1) [1 —- 1, 7)〗 々+2 fiSe,e中第i分層的信道借用於第i-1分層
本發明採用一種基於自適應多波束天線實現蜂窩小區分層的方法，使同
頻幹擾限定在允許的範圍內，提高了頻率利用率和系統容量。為緩解移動通
信有限頻率資源與移動用戶數日益增長這一移動通信發展的根本性矛盾提供
了一種有效地解決方案。
權利要求
1.一種基於自適應多波束天線實現分層蜂窩小區的方法，其特徵在於，包括以下處理步驟A.利用基站自適應多波束天線對蜂窩小區進行分層；B.同一小區內各分層優先使用屬於自己分層的信道，位於外分層的信道可以使用其內分層的信道，而內分層的信道不能使用位於其外分層的信道，兩相鄰同頻區群使用的頻率採用逆序信道組分配，並採用信道優先級保證相鄰同頻區群內的同頻復用距離最遠；C.根據小區內總信道數nm和話務量密度λ及其變化，初始選擇並動態改變小區各分層半徑與分層數。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟A具體包括，對 基站自適應多波束天線進行垂直面分割，並利用天線俯仰面形成一簇以基站 為中心的同心圓，各同心圓覆蓋範圍形成一個n分層的分層小區系統。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，當兩個分層同時選擇某分 層中的同一信道時，被選擇的信道所處的分層具有優先選擇權。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述信道優先級具體為， 兩個相鄰同頻區群中各分層首先使用相同信道的波束覆蓋形成的同心圓半徑 R" R,所確定分層中的空閒信道，並滿足i+戶Wl G'，/",…,")。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，確定小區分層半徑的步驟 為檢查小區內總信道數"m和話務量密度;i;根據每層內的呼叫用戶數"及小區內總信道數確定分層數/2;算法模塊調用公式formula see original document page 2確定與概率^^'、《} = //"相對應的第i分層半徑《。
6.根據權利要求1或5所述的方法，其特徵在於，第/分層半徑i ,.滿足 在"歷個信道被分配在該分層的概率為〃"。
全文摘要
本發明請求保護一種基於自適應多波束天線實現分層蜂窩小區的方法，涉及通信技術。本發明結合自適應天線技術、移動通信蜂窩小區技術、信道動態分配融合理念及覆蓋均勻性，提出了一種自適應多波束天線在垂直面發射而形成的分層蜂窩小區，並相應地提出了一種動態信道分配方案。從而為緩解移動通信有限頻率資源與移動用戶數日益增長這一移動通信發展的根本性矛盾提供了一種有效地解決方案。
文檔編號H04W16/00GK101656967SQ20091019081
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月10日 優先權日2009年9月10日
發明者吳險平, 張亮亮, 張祖凡 申請人:重慶郵電大學